基于錨桿支護作用的高應(yīng)力軟巖巷道控制技術(shù)

劉武團，高 忠，趙文奇，郭生茂，何良軍

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.甘肅省深井高效開采與災(zāi)變控制工程實驗室，甘肅 白銀 730900)

淺部低應(yīng)力條件下巷道圍巖力學特性表現(xiàn)為硬巖變形性質(zhì)，但隨著國內(nèi)多數(shù)礦山開采深度的下降，在深部高應(yīng)力條件下巷道圍巖則表現(xiàn)為軟巖特性[1-3]；這些高應(yīng)力巷道突出特點是變形片幫嚴重，多次翻修與維修，巷道安全極難得到保證[4-5]。由于區(qū)域巖石性質(zhì)的差異性及采場地質(zhì)環(huán)境的復雜性，高應(yīng)力條件下軟巖巷道破壞機理也不盡相同，因此較難找到通用的支護方式，應(yīng)具體情況具體分析[6]。

某金屬礦位于甘肅省白銀市東北部，為一鉛、鋅、銀多金屬礦。采礦方法為巷道式上向尾砂膠結(jié)充填采礦法，目前，已回采至1424m中段，該中段最大水平應(yīng)力22 MPa，屬于高應(yīng)力環(huán)境[7]。礦體上盤圍巖為硅質(zhì)千枚巖，下盤圍巖為石英角斑凝灰?guī)r(Mπ3)和石英鈉長斑巖(Mπ0)并存，屬地質(zhì)軟巖，其絹云母化強烈，片理發(fā)育，穩(wěn)固性較差。在高應(yīng)力環(huán)境下，礦山交岔口、接觸帶和沿脈巷道多次發(fā)生頂板下沉、冒落、兩幫擠壓等現(xiàn)象，有時甚至堵死整條巷道，嚴重影響礦山生產(chǎn)。

本文以該礦高應(yīng)力軟巖巷道圍巖為例，以錨桿的支護作用為核心，重點分析和研究交岔口、接觸帶及沿脈巷道變形特征和破壞機理，探索和優(yōu)化巷道支護方案，旨在有效控制巷道圍巖穩(wěn)定，促進礦山正常生產(chǎn)。

1 巷道變形特征及破壞機理

1.1 變形特征

目前，該礦巷道主要采用錨網(wǎng)噴和工字鋼梯形支架支護方式，其為MF43/1600管縫式錨桿和20b型號工字鋼。通過現(xiàn)場調(diào)查，巷道變形破壞情況可歸納以下三類：① 交岔口巷道破壞；② 接觸帶巷道破壞；③ 沿脈巷道破壞。

1) 交岔口巷道破壞。巷道肩部和底角處應(yīng)力集中，導致局部巖體首先失穩(wěn)，進而引起冒落。圖1為交岔口巷道掘進后沒有有效的支護強度，導致巷道冒落。后礦方為了恢復通道，臨時采用混凝土固角，工字鋼支架支撐頂部圍巖。

2) 接觸帶巷道破壞。巷道變形以擠出大變形為主，出現(xiàn)W形態(tài)“網(wǎng)兜”，局部巷道出現(xiàn)大面積收斂破壞，堵死整個巷道，見圖2。

3) 沿脈巷道破壞。錨網(wǎng)參數(shù)不合理，導致錨桿沒有起到懸吊與加固作用，造成圍巖繼續(xù)變形松動，在自重作用下脫落，見圖3。

圖1 交岔口巷道破壞

圖2 接觸帶巷道破壞

圖3 沿脈巷道破壞

1.2 破壞機理

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗及理論分析，巷道變形破壞機理主要有以下幾個方面。

1) 膨脹性軟巖。礦體下盤含Mπ3巖體，含有大量黏土礦物，遇地下水和充填水膨脹，易軟化崩解，屬地質(zhì)軟巖[8]，巖體強度較低。

2) 高應(yīng)力環(huán)境。1424m中段處高應(yīng)力環(huán)境，巷道開挖所引起最大應(yīng)力集中系數(shù)達到1.9～2.4，且大部分地段為Mπ3巖體，接近工程巖體強度，圍巖荷載超出支護體承載能力。

3) 節(jié)理化巖體。根據(jù)現(xiàn)場工程巖體勘察結(jié)果，巷道巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育；BQ值在230～320之間，屬Ⅳ～Ⅴ類較破碎巖體。

4) 支護時機不佳。該礦多是在巷道出現(xiàn)嚴重變形才采取二次支護措施，錯過最佳支護時機，支護體沒有起到應(yīng)有效果。

5) 支護體與圍巖耦合程度不夠。交岔口因受兩條或多條相交巷道影響，巷道跨度和頂板暴露面積較大，且應(yīng)力調(diào)整變化快，在頂部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致巖體失穩(wěn)冒落；接觸帶巷道兩側(cè)巖性不同，且圍巖破碎、變形嚴重，單獨使用錨桿支護很難獲得良好效果；沿脈巷道出現(xiàn)頂部圍巖垮落，說明錨桿有效長度不夠，沒有起到懸吊與加固作用。究其原因是支護材料與圍巖間沒有實現(xiàn)一體化耦合控制。

通過上述分析可知，該巷道所處高應(yīng)力環(huán)境和圍巖自身破碎、膨脹特性是影響巷道變形、破壞的客觀因素；巷道掘進后支護時機不當和支護耦合程度不夠是影響巷道變形、破壞主觀因素。因此巷道支護方案設(shè)計應(yīng)從客觀因素出發(fā)，改變主觀因素，才能有效實現(xiàn)高應(yīng)力-節(jié)理化-膨脹性復合型軟巖(HJS型軟巖)巷道穩(wěn)定，確保巷道在采掘期間安全和正常使用。

2 支護方案關(guān)鍵點分析

2.1 錨桿支護機理

多年來國內(nèi)外實踐經(jīng)驗表明[9]，錨桿屬于主動支護方式，且是一種經(jīng)濟、有效支護技術(shù)。錨桿支護機理作用有：懸吊、加固、組合梁和桁架作用[10]。本次支護方案以該礦HJS型軟巖巷道破壞機理入手，基于錨桿核心支護機理作用，量化最佳支護時機和支護強度，研究巷道變形轉(zhuǎn)化機制，尋求最佳支護型式與方案，實現(xiàn)支護體與圍巖一體耦合控制，最大程度提高巷道圍巖自承能力，維護巷道穩(wěn)定。

2.2 支護時機

應(yīng)用芬納公式[11]，求得為維持硐室?guī)r石在以半徑為R的松動范圍內(nèi)達到塑性平衡而所需要施加的在硐壁上的徑向壓力pi。

式中：c為巖石的內(nèi)聚力；φ為巖石的內(nèi)摩擦角；p0為硐室的初始垂直應(yīng)力；r0為圓形硐室半徑；R為圓形硐室松動區(qū)半徑；Nφ為塑性系數(shù)。

從芬納公式可以看出，圍巖穩(wěn)定所形成的松動區(qū)半徑R越大，所需提供的支護反力pi可越??；反之，R越小，所需pi越大。

支護反力pi與硐壁位移ΔR關(guān)系圖[12]見圖4。從圖4中可以看出，Ⅰ-Ⅰ曲線表示理想狀態(tài)下pi與硐壁位移ΔR增大而減小的關(guān)系；Ⅳ-Ⅳ曲線表示沒有進行支護時，ΔR實際變化曲線；Ⅱ-Ⅱ曲線反映采用合理支護時機時，所需支護反力最?。虎?Ⅲ曲線與Ⅴ-Ⅴ曲線表示支護過早或過晚，達到平衡狀態(tài)所需支護上pi都會很大。

在實際情況中，pi隨位移ΔR增大而減小是有限度的。當ΔR過大時，塑性區(qū)不會無限增大，巖體反而可能松動，內(nèi)聚力和摩擦角值減小，以致形成分離層，塌落，造成對支護松動壓力，支護措施沒有“及時”與圍巖“緊貼”，不能限制ΔR發(fā)展，屬于被動式支護，承載的主要是松動壓力。該礦巷道支護通常是在巷道出現(xiàn)嚴重變形時才采用支護措施，導致錯過最佳支護時機，后期補強支護措施也沒起到限制圍巖變形作用，因可通過巷道收斂變形監(jiān)測，量化該礦HJS型軟巖最佳支護時機。

圖4 支護反力pi與硐壁位移ΔR關(guān)系圖

圖5 極限應(yīng)力圓包絡(luò)線

2.3 支護強度

莫爾強度理論[13]認為，巖體是在不同正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合作用下才使其喪失承載能力，巖體內(nèi)某一點破壞主要取決于大主應(yīng)力和小主應(yīng)力，即σ1和σ3。采用極限莫爾應(yīng)力圓描述支護作用，見圖5。巷道開挖后，在無支護狀態(tài)下，處于巷道壁點σ3=0；當采用支護措施時，由支護構(gòu)件給巷道壁圍巖提供支護反力，這時σ3=pi>0，應(yīng)力圓向右偏移，巷道圍巖處于三向應(yīng)力狀態(tài)，增強了圍巖正應(yīng)力，間接提高了圍巖抗剪切能力。

因此，應(yīng)結(jié)合巷道的變形特征和力學機制轉(zhuǎn)化過程，基于錨桿核心支護機理，發(fā)揮注漿、掛網(wǎng)、噴層等支護要素的協(xié)同作用，合理制定支護方案；同時通過測試巷道圍巖松動范圍和應(yīng)用芬納公式，計算出支護強度，為支護型式選擇提供力學指標要求，有效地增強圍巖自承能力。

3 現(xiàn)場測試

3.1 巷道收斂監(jiān)測

本次巷道圍巖收斂監(jiān)測使用JSS30A型數(shù)顯收斂計確定最佳支護時機。確定的監(jiān)測點共有4處：① 1416m水平1200行線；② 1416m水平1050行線；③ 1364m水平1000行線；④ 1304m水平800行線(圖6)。

收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖7和圖8。圖7中，在巷道斷面開挖無二次支護7 d后垂直位移開始加速上揚，圖8中水平位移在7～14 d后位移持續(xù)增速。綜合監(jiān)測結(jié)果，確定沿脈巷道最佳支護時間為7 d，位于交岔口及接觸帶巷道應(yīng)提前1～2 d進行支護。

圖6 1304m水平800行線沿脈巷道監(jiān)測點收斂計

圖7 收斂監(jiān)測垂直位移

圖8 收斂監(jiān)測水平位移

3.2 巷道圍巖松動圈測試

本次松動圈測試采用SR-RCT測試儀，分別在1416m水平825～950行線分層脈外巷道和剛完成開拓工程1364m水平825～950行線運輸大巷進行現(xiàn)場測試。兩處測試結(jié)果分別為0.9～1.4 m、0.8～1.2 m，即塑性區(qū)圍巖最大厚度1.4 m，根據(jù)芬納公式[11]計算出支護體所需提供支護反力0.91 MPa。

4 耦合支護設(shè)計方案

通過對工程地質(zhì)條件、現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果及破壞機理分析，確定該礦巷道主要變形力學機制有：ⅠA：分子吸水膨脹機制；ⅡAB：構(gòu)造應(yīng)力機制+重力機制；ⅢBCD：軟弱夾層型+層理型+優(yōu)勢節(jié)理型。巷道耦合支護方案設(shè)計應(yīng)在量化的支護時機和支護強度基礎(chǔ)上，結(jié)合巷道破壞特征和變形力學機制，合理選擇錨桿型式，充分發(fā)揮錨桿核心作用，實現(xiàn)支護體與高應(yīng)力軟巖巷道圍巖在強度、剛度和結(jié)構(gòu)上耦合，發(fā)揮支護體與圍巖共同承載作用，實現(xiàn)支護及時化、結(jié)構(gòu)一體化，荷載均勻化，最終轉(zhuǎn)化為ⅡB重力機制型。

4.1 交岔口巷道耦合支護方案

分析確定交岔口巷道軟巖變形機制為ⅠAⅡABⅢD，應(yīng)采取對策是：①采用錨桿主動支護加固圍巖，使錨網(wǎng)和圍巖在強度和剛度上達到耦合，充分釋放變形能，同時最大限度地發(fā)揮圍巖自承能力，并及時有效限制圍巖發(fā)生有害變形損傷，使其轉(zhuǎn)化為ⅠAⅡBⅢD；②用錨桿與鋼帶桁架組合支護方式使圍巖應(yīng)力場和應(yīng)變場均勻化，圍巖變形均勻，轉(zhuǎn)化為ⅠAⅡB；③噴射混凝土噴層與桁架接觸，實施全斷面混凝土噴層，形成封閉性永久支護，轉(zhuǎn)化為ⅡB(圖9)。因此，設(shè)計“錨網(wǎng)帶噴”主動柔性桁架耦合支護方案，發(fā)揮錨桿加固、組合拱及桁架支護作用，此方案關(guān)鍵是錨桿及時有效地限制圍巖變形損傷，需要一種快速早強型錨桿黏結(jié)劑。

4.2 接觸帶巷道耦合支護方案

確定接觸帶巷道軟巖變形機制為ⅠAⅡABⅢBC，與交岔口巷道軟巖變形機制存在相同的ⅠAⅡA，因此采用錨網(wǎng)和噴層使其轉(zhuǎn)化為ⅡBⅢBC，ⅢBC的對策是采用錨桿注漿支護方式，接觸帶破碎巖體與漿液黏結(jié)形成一個整體性承壓拱，使其轉(zhuǎn)化為ⅡB，形成一個多層組合拱，即錨網(wǎng)噴組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴散加固拱，提高接觸帶巖體自承能力，同時擴大支護結(jié)構(gòu)有效承載范圍。設(shè)計“錨注網(wǎng)噴”多層組合拱耦合支護方案，發(fā)揮錨桿加固、組合拱支護作用，其轉(zhuǎn)化過程見圖10。

圖9 交岔口巷道變形力學機制轉(zhuǎn)化過程

圖10 接觸帶巷道變形力學機制轉(zhuǎn)化過程

4.3 沿脈巷道耦合支護方案

分析確定沿脈巷道變形機制為ⅠAⅡAB，通過錨網(wǎng)和噴層使其轉(zhuǎn)化為ⅡB，設(shè)計“錨網(wǎng)噴”主動耦合支護方案。

5 工程方案

5.1 交岔口巷道

傳統(tǒng)錨固劑凝固時間較長、早期強度低，無法及時有效限制圍巖變形損傷，因此根據(jù)該礦HJS型軟巖交岔口巷道支護特殊需求，以普通硅酸鹽水泥、膨脹硫鋁酸鹽水泥、聚羧酸系高性能減水劑和石膏為成分混合組成新型早強型錨桿黏結(jié)劑，充分利用減水劑的縮短材料凝結(jié)時間作用，膨脹硫鋁酸鹽水泥的適度膨脹性，石膏使材料具有適度早期強度和膨脹性材料特性。以上材料及各組分通過室內(nèi)配比試驗和錨桿拉拔試驗研究確定了最優(yōu)組分配比[14]。同時通過高強度左旋螺紋鋼錨桿產(chǎn)生壓緊錨固劑的力，增加錨固劑密實度，提高錨桿錨固力；以錨桿與鋼帶形成桁架結(jié)構(gòu)，形成連續(xù)有效壓應(yīng)力帶，使交岔口巷道局部應(yīng)力均勻化，改善局部應(yīng)力環(huán)境。

因此制定交岔口巷道支護工程方案為“新型錨桿黏結(jié)劑+左旋螺紋鋼錨桿+金屬網(wǎng)+鋼帶+噴層”二次支護方案，其中采用桿徑20 mm長度2.0 m間排距1.0 m的左旋螺紋鋼錨桿，新型錨桿黏結(jié)劑，網(wǎng)度100 mm×100 mm、網(wǎng)片2.0 m×2.0 m金屬網(wǎng)，采用厚度5 mm寬度320 mm W型鋼帶，100 mm混

凝土噴層。

該礦分層沿脈巷道和聯(lián)絡(luò)道斷面3.6 m×4 m，沿脈巷道在交岔口和巖性接觸帶表現(xiàn)出交岔口、接觸帶巷道變形破壞特點，三類巷道斷面一致；根據(jù)圍巖松動測試結(jié)果，三類巷道支護所需相近的支護反力；依據(jù)支護理論和現(xiàn)場工人施工的便利性，采用了相同的斷面布置，只是支護的構(gòu)件與型式不同。分層沿脈巷道斷面見圖11。交岔口巷道分四段支護，其中A區(qū)、C區(qū)、D區(qū)支護區(qū)段長5 m，其平面布置見圖12。

圖11 分層沿脈巷道斷面圖

圖12 交岔口巷道平面布置圖

5.2 接觸帶巷道

針對該礦HJS型軟巖接觸帶巷道變形特征，提出了一種新型螺紋鋼高壓注漿錨桿加固巷道支護方法，其利用錨桿孔對巷道進行加壓注漿，使圍巖松動范圍內(nèi)接觸帶破碎巖體與漿液黏結(jié)形成一個整體性承壓拱，同時利用錨桿提供徑向應(yīng)力，使形成承壓拱與原巖緊密結(jié)合，形成一個多層組合拱。

新型螺紋鋼高壓注漿錨桿[15]采用桿徑20 mm長度為2.0 m螺紋鋼筋作為螺紋鋼高壓注漿錨桿主體，將錨桿尾端加熱彎曲制成彎折，同時在錨桿尾部焊接管徑16 mm長度600 mm長鋼管作為錨桿注漿管，在錨桿主體上綁扎管徑6 mm普通聚乙烯軟管，做觀察及排氣管用；采用水灰比為0.5漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。新型螺紋鋼高壓注漿錨桿結(jié)構(gòu)示意圖見圖13。

新型螺紋鋼高壓注漿錨桿間排距1.0 m，網(wǎng)度100 mm×100 mm、網(wǎng)片2.0 m×2.0 m金屬網(wǎng)，100 mm混凝土噴層。

圖13 新型螺紋鋼高壓注漿錨桿結(jié)構(gòu)示意圖

5.3 沿脈巷道

沿脈巷道采用設(shè)計的“錨網(wǎng)噴”支護方案，采用間排距為1.0 m的MF43/2000管縫式錨桿，網(wǎng)度100 mm×100 mm、網(wǎng)片2.0 m×2.0 m的金屬網(wǎng)，100 mm混凝土噴層。

6 現(xiàn)場應(yīng)用

6.1 現(xiàn)場實踐

在1364m水平1500行線交岔口進行支護工程方案應(yīng)用，采用ML20型錨桿拉力計對左旋螺紋鋼錨桿進行拉拔試驗，試驗結(jié)果是錨桿桿體絲扣處斷裂而錨桿桿體與黏結(jié)劑、黏結(jié)劑與孔壁間未產(chǎn)生相對位移，說明交岔口處采用新型錨桿黏結(jié)劑，錨固力遠大于錨桿桿體破斷力。支護方案應(yīng)用半年后再次觀察，錨桿黏結(jié)劑黏結(jié)情況良好，巷道基本無大變形，有效控制了交岔口巷道穩(wěn)定性。

新型螺紋鋼高壓注漿錨桿加固巷道支護方法和沿脈巷道延長管縫式錨桿長度，經(jīng)現(xiàn)場試驗結(jié)果驗證，均有效控制巷道圍巖控制性，保障了礦山安全生產(chǎn)。

6.2 成本分析

以交岔口巷道支護為例，優(yōu)化后的支護方案二次支護材料費用為1 935.8元/m，與原支護方案相比，新支護方案節(jié)約支護材料費用約476.5元/m，較原方案降低19.8%，礦山支護材料費用顯著降低。

7 結(jié) 論

通過對該礦高應(yīng)力軟巖條件下交岔口、接觸帶和沿脈巷道變形特征研究，得出以下結(jié)論。

1) 該礦屬于高應(yīng)力-節(jié)理化-膨脹性復合型軟巖(HJS型軟巖)巷道，其破壞原因客觀因素為膨脹性軟巖、高應(yīng)力環(huán)境、節(jié)理化巖體，主觀因素為支護時機不佳和支護體與圍巖耦合程度不夠。

2) 應(yīng)用芬納公式和莫爾強度理論，支護方案應(yīng)選擇合理的支護時機和支護強度；通過現(xiàn)場測試，量化了巷道最佳支護時間為7 d，圍巖松動圈最大厚度為1.4 m，支護體需提供支護反力0.91 MPa。

3) 該礦HJS型軟巖巷道支護方案關(guān)鍵點是基于錨桿核心支護機理作用，量化最佳支護時機和支護強度，尋求最佳支護型式與方案，實現(xiàn)支護體與圍巖一體耦合控制。

4) 分析確定了交岔口、接觸帶和沿脈巷道軟巖變形機制分別為ⅠAⅡABⅢD、ⅠAⅡABⅢBC和ⅠAⅡAB，基于錨桿核心支護機理，采用耦合支護非線性設(shè)計，分別制定了“新型錨桿黏結(jié)劑+錨網(wǎng)帶噴”柔性桁架耦合支護、“新型螺紋鋼高壓注漿錨桿加固巷道支護”和“錨網(wǎng)噴”主動支護方案。

5) 研制了一種快速早強錨桿黏結(jié)劑，具有凝固時間早、早期強度高特點，能及時有效地提供巷道徑向應(yīng)力，限制圍巖塑性變形；研發(fā)了一種新型螺紋鋼高壓注漿錨桿加固巷道支護方法，形成一個錨網(wǎng)噴組合拱、錨桿壓縮區(qū)組合拱及漿液擴散加固拱多層組合拱，提高接觸帶巖體自承能力，同時擴大支護結(jié)構(gòu)有效承載范圍。

6) 通過設(shè)計優(yōu)化高應(yīng)力軟巖下交岔口、接觸帶和沿脈巷道三種耦合一體化支護方案，在現(xiàn)場實踐均取得了良好控制效果，相對于原有支護方式，減少了多次支護成本，可為同類工程開挖、采掘提供借鑒與參考。

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